Neuroni artificiali come quelli veri, la svolta che imita il cervello umano

Un team di ingegneri dell’Università del Massachusetts Amherst ha creato un neurone artificiale la cui attività elettrica è incredibilmente simile a quella delle cellule cerebrali umane. Questa innovazione, che si basa su ricerche precedenti che utilizzano nanofili proteici derivati da batteri produttori di elettricità, potrebbe spianare la strada a una nuova generazione di computer, efficienti come sistemi viventi e, forse un giorno, capaci di connettersi direttamente con i tessuti biologici.

Un’efficienza energetica che sfida i supercomputer

Il nostro cervello è una macchina straordinaria. «Elabora un’enorme quantità di dati», spiega Shuai Fu, dottorando in ingegneria elettrica e informatica presso l’UMass Amherst e autore principale dello studio pubblicato su Nature Communications, «ma il suo consumo energetico è molto, molto basso, specialmente se paragonato alla quantità di elettricità necessaria per far funzionare un modello linguistico di grandi dimensioni, come ChatGPT». Per dare un’idea, il cervello umano utilizza solo circa 20 watt di potenza per scrivere una storia, mentre un’intelligenza artificiale può richiederne più di un megawatt per compiere la stessa operazione. Una differenza abissale.

La sfida del voltaggio: una barriera superata

Gli ingegneri cercano da tempo di progettare neuroni artificiali per un calcolo a basso consumo, ma ridurre il loro voltaggio per eguagliare i livelli biologici è sempre stato un ostacolo insormontabile. «Le versioni precedenti di neuroni artificiali utilizzavano una tensione 10 volte superiore e una potenza 100 volte maggiore rispetto a quella che abbiamo creato noi», afferma Jun Yao, professore associato di ingegneria elettrica e informatica all’UMass Amherst e autore senior del lavoro. Questo non solo li rendeva meno efficienti, ma impediva anche qualsiasi connessione diretta con i neuroni viventi, estremamente sensibili a segnali elettrici così forti. «I nostri», conclude Yao, «registrano solo 0,1 volt, più o meno come i neuroni del nostro corpo».

Dal computer del futuro ai sensori indossabili

Le applicazioni di questa scoperta sono vastissime e spaziano dalla riprogettazione dei computer secondo principi bio-ispirati a dispositivi elettronici in grado di “parlare” direttamente con il nostro corpo. «Attualmente disponiamo di ogni tipo di sistema di rilevamento elettronico indossabile», sottolinea Yao, «ma sono relativamente ingombranti e inefficienti». Ogni volta che un sensore rileva un segnale dal nostro corpo, deve amplificarlo elettricamente perché un computer possa analizzarlo. Questo passaggio intermedio aumenta sia il consumo di energia sia la complessità del circuito. I sensori costruiti con questi nuovi neuroni a bassa tensione, invece, potrebbero funzionare senza alcuna amplificazione.

Il segreto? Un batterio che produce elettricità

L’ingrediente segreto di questo neurone a basso consumo è un nanofilo proteico sintetizzato dal batterio Geobacter sulfurreducens, un microrganismo con la straordinaria capacità di produrre elettricità. Il team del professor Yao non è nuovo a invenzioni basate su questo batterio: in passato hanno già progettato un biofilm alimentato dal sudore, un “naso elettronico” in grado di fiutare le malattie e persino un dispositivo capace di raccogliere elettricità direttamente dall’aria. Questa ricerca rappresenta un ulteriore, fondamentale passo verso un futuro in cui la tecnologia e la biologia potrebbero finalmente dialogare alla pari.